F7PBNTD - Biotermodynamika

Výuka bude vedena prezenčním způsobem a bude rozdělena na přednášky a cvičení. Důraz bude kladen na aktivní zapojení studentů a rozvoj jejich vlastních schopností. Pro aktivizaci studentů budou sloužit krátké diskuse nad tématem přednášky či cvičení, a to jak na začátku, tak v průběhu výuky. Na úvod cvičení budou realizovány krátké testy (5 min.) na ověření znalostí z předchozí hodiny, čímž vyučující získá zpětnou vazbu o znalostech studentů. V průběhu přednášek pak bude prováděno anketní dotazování na klíčové otázky vyučované problematiky, tak aby přednášející získal zpětnou vazbu, jak studenti dané problematice rozumí. V rámci cvičení bude student samostatně zpracovávat odborná témata formou referátů, aby získal praktické zkušenosti z dané problematiky. Zde dostane student prostor i pro vlastní kreativitu, zejména při psaní závěrečných zpráv a prezentaci svých zjištění. Vypracování referátů bude probíhat pod vedením vyučujícího, který bude studentům poskytovat konzultace a zpětnou vazbu. Pro výuku a zejména komunikaci mezi vyučujícími a studenty bude využíváno prostředí Moodle.

Podmínky zápočtu: účast na řešení úloh při cvičeních minimálně 70%,

Podmínky zkoušky: splnění podmínek zápočtu, prokázání znalostí odpovídajících odpřednášené látce formou písemného testu obsahujícího jak teoretické otázky (tři), tak početní příklady (tři). Písemný test bude hodnocen body. Z každé odpovědi může student získat 0,5 nebo 1 bod. Pro získání E je nutný min. počet 3 bodů, pro získání A je nutných 5 a více bodů. V případě nejednoznačného klasifikačního stupně bude navazovat zkouška ústní.

1. Úvod do termodynamiky: Definice termodynamického systému a jeho stavu, termodynamické veličiny a jejich měření, rovnovážný a nerovnovážný stav.

2. Nulový a první termodynamický zákon: Vnitřní energie a její změny, práce a teplo, zákon zachování energie a jeho aplikace v biologických systémech.

3. Druhý termodynamický zákon: Entropie a její význam, směr nevratných procesů, aplikace druhého zákona v biologických systémech (např. produkce tepla, efektivita procesů).

4. Třetí termodynamický zákon: Absolutní nula a její dosažitelnost, důsledky třetího zákona pro biologické systémy.

5. Termodynamické potenciály: Entalpie, Helmholtzova a Gibbsova energie, podmínky rovnováhy a spontánních procesů, aplikace potenciálů v biologických systémech (např. chemické reakce, fázové přechody).

6. Fázové rovnováhy: Fázový diagram a jeho interpretace, fázové přechody v biologických systémech, modelování.

7. Chemická termodynamika: Chemický potenciál a jeho význam, rovnovážná konstanta a její závislost na teplotě, aplikace chemické termodynamiky v biologických systémech (např. reakce v buňkách, transport látek).

8. Termodynamika roztoků: Ideální a reálné roztoky, osmotický tlak a jeho význam v biologických systémech, aplikace termodynamiky roztoků v biologických systémech (např. transport vody a iontů).

9. Nelineární termodynamika: Odchylky od rovnováhy a jejich důsledky, Onsangerovy vztahy, nelineární jevy v biologických systémech (např. oscilace, bifurkace).

10.Disipativní struktury: Vznik a vlastnosti disipativních struktur, příklady disipativních struktur v biologických systémech (např. buňky, ekosystémy).

11.Aplikace nelineární termodynamiky v biologických systémech: Modelování biologických procesů pomocí nelineárních rovnic, studium stability a dynamiky biologických systémů.

12.Úvod do statistické termodynamiky: Mikrostavy a makrostavy systému, statistická interpretace entropie, aplikace statistické termodynamiky v biologických systémech.

13.Vybrané kapitoly ze statistické termodynamiky: Partiční funkce a její význam, fluktuace a jejich význam v

biologických systémech, aplikace statistické termodynamiky v biologických systémech (např. modelování proteinů).

14. Experimentální metody v biotermodynamice.

1. Úvodní cvičení: Seznámení s laboratorním vybavením, bezpečnostními pravidly a základními termodynamickými veličinami.

2. Aplikace prvního termodynamického zákona: Výpočty vnitřní energie, práce a tepla pro různé biologické systémy.

3. Aplikace druhého termodynamického zákona: Výpočty entropie pro různé procesy v biologických systémech, analýza efektivity procesů.

4. Aplikace třetího termodynamického zákona: Diskuze o důsledcích třetího zákona pro biologické systémy, řešení příkladů.

5. Výpočty termodynamických potenciálů: Aplikace entalpie, Helmholtzovy a Gibbsovy energie na chemické reakce a fázové přechody v biologických systémech.

6. Fázové rovnováhy: Konstrukce a interpretace fázových diagramů pro biologické systémy, modelování fázových přechodů.

7. Chemická termodynamika: Výpočty chemického potenciálu a rovnovážných konstant pro reakce v biologických systémech.

8. Termodynamika roztoků: Výpočty osmotického tlaku a analýza transportu látek v biologických systémech.

9. Nelineární termodynamika: Modelování nelineárních jevů v biologických systémech pomocí počítačových simulací.

10.Disipativní struktury: Analýza vzniku a vlastností disipativních struktur v biologických systémech, modelování buněčných procesů.

11.Aplikace nelineární termodynamiky: Řešení komplexních úloh na modelování biologických procesů.

12.Statistická termodynamika: Výpočty mikrostavů a makrostavů pro jednoduché biologické systémy, statistická interpretace entropie.

13.Statistická termodynamika: Výpočty partiční funkce, analýza fluktuací v biologických systémech, modelování proteinů.

14.Experimentální metody: Praktická cvičení na měření termodynamických veličin v biologických systémech, analýza experimentálních dat.

Předmět biotermodynamika se zaměřuje na aplikaci základních principů termodynamiky na biologické systémy. Studenti se seznámí s termodynamickými zákony a jejich aplikacemi v biologii. Kurz pokrývá fázové přechody, chemickou termodynamiku a termodynamiku roztoků, včetně osmotického tlaku a transportu látek. Dalšími tématy jsou nelineární termodynamika, disipativní struktury a statistická termodynamika, která se používá k modelování biologických procesů. V závěru se studenti seznámí s experimentálními metodami v biotermodynamice.

Povinná literatura:

[1] DEMIREL, Yasar, and Vincent Gerbaud. Nonequilibrium Thermodynamics: Transport and Rate Processes in Physical, Chemical and Biological Systems. Elsevier, 2025. [online]. Dostupné z: https://ebookcentral.proquest.com/lib/cvut/detail.action?docID=31912136.

[2] HAYNIE, Donald T. Biological Thermodynamics. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-71134-0.

Doporučená literatura:

[1] KONDEPUDI, D. and I. PRIGOGINE. Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons Inc., 2015.

• Bakalářský studijní program Biomedicínské nanotechnologie (povinný předmět)